权利要求
1.一种高低进路协同接顶的波浪式交错充填
采矿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、采场划分
将待采矿体划分为盘区和分段，每个分段服务多层进路回采;
步骤2、采场布置
采场垂直矿体走向布置，盘区内按一步骤进路和二步骤进路两个步骤组织回采;
步骤3、一步骤进路回采与充填
先回采一步骤进路，所述一步骤进路的回采高度为H1，回采后采用胶结充填;
步骤4、二步骤进路回采与充填
后回采二步骤进路，所述二步骤进路的回采高度为H2，且H2 > H1，回采后下部采用非胶结充填，上部形成胶结胶面层;
步骤5、协同接顶
利用H2 > H1的高度差，使二步骤进路上部胶结充填料浆自然流入相邻一步骤采场顶部未接顶空间，实现一步骤采场的接顶充填，并使一步骤采场与二步骤采场在最终采区结构中呈波浪式交错分布。
2.根据权利要求1所述的波浪式交错充填采矿方法，其特征在于，H1 = 4.0m，H2 = 4.4～4.8m，高度差为0.4～0.8m。
3.根据权利要求1所述的波浪式交错充填采矿方法，其特征在于，在垂直方向上，第一层进路的一步骤采场与第二层进路的二步骤采场对应布置，使胶结充填体与非胶结充填体在垂直方向交替分布。
4.根据权利要求1所述的波浪式交错充填采矿方法，其特征在于，盘区中沿采场布置方向每隔60m留设5m连续矿柱，形成矿柱-充填体复合承载体系。
5.根据权利要求2所述的波浪式交错充填采矿方法，其特征在于，一步骤进路回采后采用灰砂比为1:12～1:16的尾砂胶结充填，上部0.4m采用灰砂比为1:6的胶结充填料形成胶面层。
6.根据权利要求2所述的波浪式交错充填采矿方法，其特征在于，二步骤进路回采后下部采用尾砂非胶结充填，上部0.4m采用灰砂比为1:4～1:6的胶结充填料形成胶面层。
7.根据权利要求1所述的波浪式交错充填采矿方法，其特征在于，分段高度为12～15m，每个分段服务三层至四层进路回采。
8.根据权利要求1所述的波浪式交错充填采矿方法，其特征在于，按脉外采准方式布置采准工程，并配套实施凿岩、爆破、通风排险、采场支护、采场充填及泄水工艺。
9.根据权利要求1所述的波浪式交错充填采矿方法，其特征在于，新鲜风流由斜坡道进入中段或分段平巷，再由中段或分段平巷经采场联络道进入采场;污风经采场回风充填井排至上分层联络道，并经中段平巷排至地表。
10.根据权利要求1所述的波浪式交错充填采矿方法，其特征在于，凿岩采用单臂式凿岩台车进行。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及地下矿山充填采矿技术领域，具体涉及一种高低进路协同接顶的波浪式交错充填采矿方法。
背景技术
[0002]进路充填采矿法是地下金属矿山开采中厚至厚大矿体、破碎矿体及复杂条件矿体的常用方法。该方法通过将矿体划分为若干分段和进路，按照一定顺序回采并及时充填，能够有效控制地压、减少矿石贫化、保障回采安全。其中，胶结充填体对采场顶板的主动支撑能力，直接决定了采场上覆岩层的稳定性和相邻进路回采的安全性。
[0003]然而，传统进路充填采矿法存在一个长期未解决的技术难题：一步骤回采后胶结充填难以实现完全接顶。主要原因包括：(1) 充填料浆流动性受限，难以完全填满采场顶部不规则空间;(2) 充填体在凝固过程中发生沉降收缩;(3) 采场顶部存在空气阻滞效应。这一未接顶空间在后续二步骤进路回采过程中，可能引发顶板离层、冒落，甚至导致充填体侧向失稳，严重影响采矿安全。
[0004]为解决接顶困难问题，已有技术尝试了以下改进路径：一是通过充填装置改进(如CN222010283U)，采用分层充填装置和多管道控制;二是通过机械加压接顶(如CN223881231U)，利用气囊对充填料浆施加压力;三是通过U形充填井及管道下延(如CN118008458A)，优化充填管路布局。上述方法虽然在实验室或特定条件下取得了一定效果，但都存在设备复杂、成本较高、受采场几何条件限制大等不足，难以在矿山大规模推广应用。
[0005]近年来，有研究提出了预控顶高进路交替回采方案，该方案通过一步骤与二步骤进路交替布置配合预控顶支护，改善了采场稳定性。但该方案的核心仍是通过支护手段保障顶板稳定，并未从根本上解决一步骤胶结充填难以接顶的问题，且预控顶施工增加了工艺复杂性和成本。
[0006]因此，如何在不增加设备投入、不改变常规充填工艺的前提下，实现一步骤采场的高质量接顶充填，并形成空间上协同、受力上稳定的采场结构，是本领域亟待解决的技术难题。
发明内容
[0007]本发明的目的在于提供一种高低进路协同接顶的波浪式交错充填采矿方法，以解决传统进路充填采矿法中一步骤采场胶结充填难以接顶、采场顶部支撑不足以及采区整体稳定性差的问题。
[0008]为此，本发明提供一种高低进路协同接顶的波浪式交错充填采矿方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1、采场划分
[0010]将待采矿体划分为盘区和分段，每个分段服务多层进路回采;
[0011]步骤2、采场布置
[0012]采场垂直矿体走向布置，盘区内按一步骤进路和二步骤进路两个步骤组织回采;
[0013]步骤3、一步骤进路回采与充填
[0014]先回采一步骤进路，所述一步骤进路的回采高度为H1，回采后采用胶结充填;
[0015]步骤4、二步骤进路回采与充填
[0016]后回采二步骤进路，所述二步骤进路的回采高度为H2，且H2 > H1，回采后下部采用非胶结充填，上部形成胶结胶面层;
[0017]步骤5、协同接顶
[0018]利用H2 > H1的高度差，使二步骤进路上部胶结充填料浆自然流入相邻一步骤采场顶部未接顶空间，实现一步骤采场的接顶充填，并使一步骤采场与二步骤采场在最终采区结构中呈波浪式交错分布。
[0019]具体的，步骤1中盘区沿矿体走向布置，分段巷道之间通过斜坡道相连，各分段在高度方向上的间距为12～15m;每个分段服务三层~四层进路回采。
[0020]具体的，一步骤进路与二步骤进路在同一分层内交替布置，并按照先采一步骤进路、后采二步骤进路的顺序回采，盘区中沿采场布置方向每隔60m留设5m连续矿柱，以支撑采场围岩。
[0021]具体的，步骤3中一步骤进路的回采断面宽度为4m、回采高度为4.0m;一步骤进路回采结束后，采用灰砂比为1:12～1:16的尾砂胶结充填;一步骤进路上部0.4m采用灰砂比为1:6的胶结充填料形成胶结胶面层便于
铲运机出矿。
[0022]具体的，步骤4中二步骤进路的回采断面宽度为4m、回采高度为4.4~4.8m;二步骤进路回采结束后，下部用尾砂非胶结充填;二步骤进路上部0.4m用灰砂比为1:4～1:6的胶结充填料形成胶结胶面利于铲运机出矿。
[0023]一步骤进路与二步骤进路的回采高度差控制在0.4～0.8m，这是因为低于0.4m时料浆的静压头不足以克服狭窄空间的流动阻力、难以实现完全接顶，而高于0.8m时则会导致采掘成本显著增加、顶板稳定性下降且充填料浆易发生离析，因此该范围是在保证可靠接顶、采场安全与经济合理前提下的最优区间。
[0024]具体的，步骤5中二步骤进路的回采高度比一步骤进路的回采高度高0.4m;二步骤进路进行上部胶结胶面充填时，胶结充填料浆沿二步骤进路顶部空间流入相邻一步骤采场顶部未接顶空间，使一步骤采场实现接顶充填;二步骤采场充填完成后形成应力拱，一步骤采场与二步骤采场形成波浪式交错分布的最终采区结构。
[0025]按脉外采准方式布置采准工程，并配套实施凿岩、爆破、通风排险、采场支护、采场充填及泄水工艺。斜坡道形成后，在高度方向上每隔12～15m掘进分段巷道，而后在下盘布置出矿溜井;在分段巷每隔100m向矿体掘进联络巷，并靠脉内出矿横巷外侧掘进通风充填井联通上中段，实现采场通风和充填。
[0026]具体的，主要采准工程包括分段平巷、溜井、采场联络道、通风充填井、钢筋混凝土假底和泄水井。分段平巷断面规格为4.0m×4.0m，每个盘区布置采场联络道并延伸至矿体上盘，采场联络道断面规格为4.0m×4.0m。通风充填井设于脉内出矿横巷外侧，断面规格为2.0m×2.0m，倾角与矿体倾角一致。泄水井采用钢板加工并顺路架设而成，泄水井断面规格为Φ1.0m，将水排至下中段平巷。
[0027]钢筋混凝土假底厚0.6m，施工强度为C15或C20，内置钢筋;主筋为Φ14～16mm的A3圆钢，间距1m，并沿矿体走向布置;副筋直径为Φ10～12mm，并垂直矿体走向铺设;每两根主筋之间铺设两根副筋，形成0.33m×0.33m的钢筋网度;一步骤回采进路与二步骤回采进路的钢筋焊接在一起。钢筋混凝土假底完成后，在第一分层充填灰砂比为1:5的尾砂胶结充填体，充填高度为1.2m。
[0028]凿岩采用单臂式凿岩台车进行;一步骤进路的回采断面宽4m、高4.0m，凿岩孔深3.0m;二步骤进路的回采断面宽4m、高4.4~4.8m，凿岩孔深3.0m。进路回采至边界后采用浅孔凿岩机回采上盘三角矿，并留设1.5m护顶矿。矿石较松软时采用角锥形掏槽，矿石致密时采用垂直桶形掏槽;周边眼向外偏斜2～3°，并采用控制爆破，使爆后顶板平整。
[0029]具体的，新鲜风流由斜坡道进入中段或分段平巷，再由中段或分段平巷经采场联络道进入采场;污风经采场回风充填井排至上分层联络道，并经中段平巷排至地表。
[0030]巷道顶板及上盘围岩以锚杆支护为主，局部破碎地点采用锚杆加金属网支护，锚杆为管缝式锚杆，杆长1.8m，直径43mm，支护网度为1.0m×1.0m;遇岩石特别破碎时，锚杆支护网度加密至0.8m×0.8m，喷射混凝土。
[0031]采场充填体中的水由顺路泄水天井泄出，泄水工艺与一步骤进路胶结充填、二步骤进路非胶结充填及胶面充填相配合。
[0032]具体的，第一层进路的一步采场与第二层进路的二步采场对应，即在垂直方向上，一步进路采场与二步进路采场交错布置，一段胶结充填体再接一段非胶结充填体，胶结充填体与非胶结充填体交错布置，有利于充填区域稳定性。
[0033]与现有技术比，本发明的有益效果是：
[0034]1.从根本上解决接顶难题：通过将二步骤进路的回采高度设置为高于一步骤进路利用采场自身的几何高差，使二步骤进路上部胶结充填料浆在重力作用下自然流入相邻一步骤采场顶部未接顶空间。该方案不依赖外加设备、不改变常规充填工艺，以极低的成本实现了高质量接顶充填，避免了传统方法中充填料浆无法填满顶部空间的技术缺陷。
[0035]2.形成稳定的波浪式交错采场结构：使一步骤采场与二步骤采场在最终采区结构中呈波浪式交错分布，使二者在最终采区结构中形成相互嵌套、交替受力的协同支撑体系，同时二步骤采场充填完成后自然形成应力拱。该结构改变了传统进路充填法中充填体与围岩界面连续直线的受力模式，使采区整体形成胶结体-非胶结体-胶结体交替承载的协同支撑体系，显著提高了多分段、多层进路回采条件下的采区整体稳定性。
[0036]3.显著降低胶结充填材料用量：本发明采用一步骤全断面胶结充填 + 二步骤非胶结充填+顶部胶面的组合充填策略，仅在采场关键受力部位(顶部接顶区域及相邻采场交界处)使用高配比胶结材料，大幅降低了整体胶结材料用量，具有良好的经济性。
[0037]4.在盘区中每隔60m留设5m宽的连续矿柱，作为采区内的支撑结构，与波浪式交错充填体共同构成“矿柱-充填体”复合承载体系。该连续矿柱不仅能够有效分担采场围岩的荷载，还能在充填体未完全硬化或局部失效的情况下提供后备支撑力，显著增强了采区对地压活动的适应能力，降低了采区大范围失稳的风险，尤其适用于深部高应力或破碎矿体的开采条件
[0038]5.现有技术依赖预控顶支护来保障上盘稳定，仍存在一步骤采场不接顶的问题;而本发明不依赖支护手段，而是通过高差设计实现充填材料自流接顶，从根本上解决了不接顶问题，同时实现了应力拱的形成和波浪式结构的构建。与充填装置改进、加压接顶等方案相比，本发明属于采场结构参数优化驱动的技术路线，具有设备投入小、工艺简单、适应性广的优势。
附图说明
[0039]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0040]图1是本发明采矿方法回采矿房采场的正视图;
[0041]图2是本发明采矿方法回采矿房采场的侧视图;
[0042]图3是本发明采矿方法回采矿房采场的俯视图;
[0043]图4是本发明采矿方法回采充填结束后采场结构图。
[0044]其中：1-矿石;2-1:12～1:16胶结充填体;3-1:6胶结充填体;4-非胶结充填体;5-出矿溜井;6-间柱;7-底柱;8-采场联络道;9-分段巷道;10-中段平巷;11-通风充填井;12-泄水井;13-脉内出矿横巷;14-钢筋混凝土假底。
具体实施方式
[0045]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0046]参见图1-图4，一种高低进路协同接顶的波浪式交错充填采矿方法，包括：
[0047]1. 采场结构参数
[0048]本实施例中，分段高度12～15m，分段之间与脉外斜坡道相连，每个分段服务三层至四层进路。采场垂直矿体走向布置，进路回采宽度4m。一步骤进路高度4.0m，二步骤进路高度4.4～4.8m。盘区中每隔60m留设5m连续矿柱(间柱6)，底部留设底柱7，以支撑盘区采场围岩。
[0049]2. 回采顺序盘区内采场回采顺序为先回采一步骤进路，后回采二步骤进路。一步骤进路回采高度4.0m，采用尾砂胶结充填(灰砂比1:12～1:16)，也即形成1:12～1:16胶结充填体2，上部0.4m采用灰砂比1:6胶结充填，也即形成1:6胶结充填体3。二步骤进路回采高度4.4～4.8m，下部尾砂非胶结充填，形成非胶结充填体4，上部0.4m采用灰砂比1:4～1:6胶结充填。
[0050]3. 协同接顶过程二步骤进路上部胶结充填时，由于二步骤进路高度高于一步骤进路，且相邻一步骤采场顶部存在未接顶空间，胶结充填料浆在重力作用下自然流向该空间，实现一步骤采场的再次接顶充填。二步骤进路由于采场高度稍高，充填完成后可形成应力拱，并且一步骤采场与二步骤采场呈波浪式交错分布，使最终形成的采区结构具有较高稳定性。
[0051]本实施例中，由于二步骤进路的回采高度(4.4~4.8m)显著高于两侧一步骤进路(4.0m)，当二步骤进路完成充填后，其充填体在采场剖面上构成一个凸起的几何形态。该凸起结构在承受上覆岩层压力时，会诱导产生弯曲的应力轨迹，形成自承载的‘应力拱’。该应力拱将顶部垂直荷载转化为对两侧拱脚(即稳固的一步骤胶结充填体)的水平推力，从而大幅降低了充填体内部的拉应力，避免了充填体受拉开裂，实现了采区结构的长时稳定。
[0052]4. 采准方式本实施例中采用脉外采准方式，盘区斜坡道形成后，在高度方向上每隔12～15m掘进分段巷道9，在分段巷道9每隔100m向矿体掘进采场联络巷道，而后靠脉内出矿横巷13外侧掘进通风充填井11。
[0053]5. 采准工程布置
[0054]主要采准工程包括分段平巷、出矿溜井5、采场联络道8、中段平巷10、通风充填井11、泄水井12、脉内出矿横巷13和钢筋混凝土假底14。分段平巷断面规格为4.0m×4.0m，每个盘区布置采场联络道，其断面规格为4.0m×4.0m。通风充填井11设于脉内出矿横巷外侧，断面规格为2.0m×2.0m，倾角与矿体倾角一致。泄水井12采用钢板加工并顺路架设而成，泄水井12断面规格为Φ1.0m，将水排至中段平巷。
[0055]6. 钢筋混凝土假底
[0056]钢筋混凝土假底厚0.6m，施工强度为C15或C20，内置钢筋。主筋采用Φ14～16mm的A3圆钢，间距1m并沿矿体走向布置;副筋直径为Φ10～12mm，垂直矿体走向铺设;每两根主筋之间铺设两根副筋，形成0.33m×0.33m的钢筋网度。一步骤回采进路与二步骤回采进路的钢筋焊接在一起。钢筋混凝土假底完成后，在第一分层充填灰砂比为1:5的尾砂胶结充填体，充填高度为1.0m。
[0057]7. 凿岩工艺本实施例采用单臂式凿岩台车凿岩，一步骤进路的回采断面宽4m、高4.0m，凿岩孔深3.0m;二步骤进路的回采断面宽4m、高4.4～4.8m，凿岩孔深3.0m。进路回采至边界后，用浅孔凿岩机回采上盘三角矿，并留设1.5m护顶矿。矿石1较松软时采用角锥形掏槽，矿石1致密时采用垂直桶形掏槽;周边眼向外偏斜2～3°，并采用控制爆破，使爆后顶板平整。
[0058]8. 爆破工艺。
[0059]本实施例采用2号岩石炸药人工装药。药卷直径32mm，周边眼用直径22mm小直径药卷不耦合装药，药卷长度均为200mm。电子雷管起爆，各段雷管的起爆时间间隔为50ms。
[0060]9.通风排险
[0061]新鲜风流由斜坡道进入中段或分段平巷，再由中段或分段平巷经采场联络道进入采场，污风经采场回风充填井排至上分层联络道，并经中段平巷排至地表。
[0062]10.采场支护
[0063]巷道顶板及进路采场以锚杆支护为主，局部特别破碎地点采用锚杆加金属网支护。锚杆采用管缝式锚杆，锚杆长1.8m，直径43mm。锚杆支护网度为1.0m×1.0m，遇岩石特别破碎时加密至0.8m×0.8m，喷射混凝土。
[0064]11.采场充填
[0065]采场充填体中的水由顺路泄水天井泄出，泄水工艺与一步骤进路胶结充填、二步骤进路非胶结充填及胶面充填相配合。
[0066]该方法可改善传统进路充填采矿法中一步骤采场胶结充填难以接顶的问题，提高采区整体稳定性，并兼顾采准、回采、通风、支护、充填及泄水工艺的协同实施。
说明书附图(4)
声明：
“高低进路协同接顶的波浪式交错充填采矿方法” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：中南大学
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